Выкованные в огне: как гамма-всплески создали самые тяжелые элементы во Вселенной

Один из самых больших нерешенных вопросов в физике — как Вселенная создает самые тяжелые элементы в периодической таблице. Чтобы решить эту проблему, группа физиков изучила ранее неизведанную среду: интенсивные космические джеты и окружающий их материал — коконы, образующиеся в результате гамма-всплесков во время коллапса массивных звезд.

В исследовании, опубликованном в The Astrophysical Journal, ученые предполагают, что высокоэнергетические фотоны глубоко внутри этих струй могут разрушить внешние слои коллапсирующей звезды, превратив протоны в нейтроны. Этот внезапный всплеск нейтронов может вызвать цепочку реакций, которые в конечном итоге образуют тяжелые элементы, такие как уран и плутоний.

Создание тяжелых элементов, таких как уран и плутоний, требует экстремальных условий. В космосе существует всего несколько жизнеспособных, но редких сценариев, в которых могут образовываться эти элементы, и все они требуют большого количества нейтронов. В предложенной версии нейтроны не существуют заранее, а динамически производятся в звезде.

Обычно свободные нейтроны распадаются быстро, выживая всего около 15 минут, что ограничивает их возможности по участию в реакциях создания элементов. Но в правильных условиях может произойти процесс, называемый быстрым процессом захвата нейтронов — или «r-процессом». Считается, что он отвечает за создание всего естественного тория, урана и плутония во Вселенной. Модель исследования предлагает новое решение давних проблем в физике r-процессов, вводя новые пути реакций, которые могут иметь место во время коллапса звезды.

В сценарии, который предлагают исследователи, массивная звезда начинает умирать, когда ее ядерное топливо заканчивается. Не имея возможности больше противостоять собственной гравитации, в центре звезды образуется черная дыра. Если черная дыра вращается достаточно быстро, эффекты перетаскивания кадров от чрезвычайно сильной гравитации вблизи черной дыры закручивают магнитное поле и запускают мощную струю. В результате последующих реакций создается широкий спектр фотонов, некоторые из них имеют высокую энергию.

Джет прорывается сквозь звезду впереди нее, создавая горячий кокон материала вокруг себя. На границе джета с материалом звезды высокоэнергетические фотоны (то есть свет) могут взаимодействовать с атомными ядрами, превращая протоны в нейтроны. Существующие атомные ядра также могут растворяться в отдельных нуклонах, создавая больше свободных нейтронов для питания r-процесса. Расчеты показывают, что взаимодействие со светом и материей может создавать нейтроны невероятно быстро — примерно за наносекунду.

Из-за своего заряда протоны захватываются в струе сильными магнитными полями. Нейтроны, которые не имеют заряда, выталкиваются из струи в кокон. Нейтроны чрезвычайно плотны по сравнению с окружающим звездным материалом, и поэтому может последовать r-процесс, в котором тяжелые элементы и изотопы выковываются, а затем выбрасываются в космос по мере того, как звезда разрывается на части.

Предложенная структура высокоэнергетической струи может помочь объяснить происхождение килоновой — свечения оптического и инфракрасного электромагнитного излучения, связанного с длительными гамма-всплесками. Килоновые в первую очередь связаны со столкновением двух нейтронных звезд или слиянием нейтронной звезды и черной дыры.  Растворение звезд посредством высокоэнергетической фотонной струи предлагает альтернативную версию происхождения тяжелых элементов и килоновой.

Помимо объяснения того, как образуются тяжелые элементы, исследование также затрагивает ключевые научные вопросы о том, как нейтроны движутся сквозь материю, как ведут себя сложные мультифизические системы и как можно обнаружить редкие космические события. В таких областях, как астрофизика и национальная безопасность, понимание поведения экзотических частиц и реакций имеет решающее значение.